EGR对轻型柴油机超细颗粒排放的影响

楼狄明， 徐宁， 谭丕强， 胡志远

(同济大学， 上海 201804)



·性能研究·

EGR对轻型柴油机超细颗粒排放的影响

楼狄明， 徐宁， 谭丕强， 胡志远

(同济大学， 上海 201804)

基于1台匹配废气再循环(EGR)系统的轻型柴油机，在中低负荷下研究了EGR对发动机超细颗粒排放的影响。研究发现：各工况下，随EGR率的增大，颗粒排放中核模态颗粒数量浓度在各粒径下有所减少，核模态颗粒排放数量速率和质量速率有减少趋势，且在最大扭矩转速的低负荷工况更加明显；积聚态颗粒数量浓度在各粒径下都增加，积聚态颗粒排放数量和质量速率也都增加，且中负荷时更加明显，而积聚态颗粒数量浓度峰值粒径基本没有改变。随EGR率的增大，总的超细颗粒排放数量速率在最大扭矩转速的低负荷工况减小，而其他工况都明显增加。由于积聚态颗粒总质量浓度占超细颗粒总质量浓度比例达99%，所以超细颗粒排放质量速率也都增加，几何平均粒径也都明显增大。在低负荷较低EGR率和中负荷较大EGR率时，过高的喷油压力都将使超细颗粒排放数量速率增加。

废气再循环； 喷油压力； 颗粒； 柴油机

轻型车柴油机由于热效率高，在欧洲已经成功推广，在中国也逐渐成为一种发展趋势[1]。目前，中国和欧洲关于轻型车排放试验主要采用整车排放试验，试验工况为NEDC(New European Driving Cycle)，与之对应的发动机工况中，中低负荷工况所占比例较大。为此，现阶段轻型柴油机一般不匹配低温效率较低且成本较高的选择性催化还原系统(SCR)，而多采用废气再循环(EGR)实现对NOx排放的控制。当EGR组合如柴油氧化催化器(DOC)、柴油颗粒捕集器(DPF)等后处理系统后，将同时对炭烟颗粒和CO，HC等排放进行有效控制，但对纳米级超细颗粒排放净化能力有限[2]。而超细颗粒更易在人体肺部沉积[3]，对人类健康危害更大[4]，且其排放数量浓度以及粒径分布相对质量浓度与危害程度的相关性更大，因此，新的机动车排放标准也都开始对汽车颗粒物粒子排放数量进行限制。国内外已经开展了一些关于EGR对颗粒排放影响的研究，但大多是基于中重型柴油机较低燃油喷射压力下开展的[5-8]。因此，需要开展EGR对较高喷射压力的轻型柴油机的超细颗粒排放特性影响的研究。

在高负荷时，过大的EGR率(ηEGR)将导致柴油机动力性、经济性明显变差，炭烟颗粒排放急剧增加，一般不使用EGR或者使用较低的EGR率[6,9]。因此，本研究重点针对在中低负荷工况下EGR对轻型柴油机超细颗粒排放的影响。

1 试验设备及方案

试验发动机为1台2.5 L的高压共轨废气涡轮增压中冷轻型柴油机，直列4缸4气门，其采用一套由一个气动控制蝶形节气门和另一个气动控制蝶形EGR阀组成的低成本高压废气再循环系统[10]，发动机参数见表1。试验燃料为国Ⅴ柴油。

表1 柴油机主要参数

排放测试采用EEPS 3090发动机废气颗粒粒径分析仪，其利用一个特殊充电系统和多级静电计同时获得所有粒子粒径的信号，测试粒径范围为5.6～560 nm，主要包括两种类型的颗粒：核模态和积聚态颗粒。核模态颗粒物一般指粒径在3～30 nm的颗粒物，主要包括在尾气稀释和冷却过程中，挥发性有机化合物和硫酸盐因冷凝成核作用形成的颗粒，形式为固态颗粒或者小液滴。积聚态颗粒物是粒径在30～500 nm的颗粒物，主要包括在燃烧过程中形成的碳黑颗粒，也包括其表面吸附的一些挥发性物质[11]。试验工况点分布及特性见表2。

表2 试验工况点分布及特性

2 试验结果及分析

2.1 EGR对发动机进排气特性的影响

图1示出了不同EGR率对进气温度和空燃比的影响。从图中可以看出，随着EGR率的增加，进气温度明显上升，而空燃比呈下降趋势，且与EGR率有很强的线性相关性。

图2示出了不同EGR率对柴油机涡前排气温度的影响。从图中可以看出，随着EGR率的增加，排气温度呈明显上升的趋势。

2.2 超细颗粒数量浓度粒径分布

图3示出了EGR率对柴油机超细颗粒数量浓度粒径分布的影响。从图3中可以看出，随EGR率的增大，各工况下的核模态颗粒数量浓度有所减少，且在较高转速2 200 r/min时的低负荷更加明显；积聚态颗粒数量浓度在各粒径下都有所增加，且在中等负荷时都比较明显，但积聚态颗粒数量浓度峰值粒径基本没有改变。在1 800 r/min的中负荷，对应ηEGR为6%，12%，18%时，积聚态颗粒数量浓度峰值相对ηEGR为0时分别增加了123.5%,186.3%,451.1%；而在2 200 r/min中等负荷时，对应ηEGR为18%，23%，28%，积聚态颗粒数量浓度峰值相对于ηEGR为12%时分别增加了76.3%，121.3%，237.3%。这主要是因为再循环废气增加后，空燃比减小，进气温度增加，滞燃期变短，扩散燃烧比例增大，化学反应向生成炭烟颗粒的正向进行，而新鲜空气减小，废气量增加，使得炭烟颗粒氧化过程的反应物之一氧分子浓度降低，生成物浓度增大，使得反应向相反方向进行，从而减少炭烟颗粒氧化，最终导致炭烟聚积而成的积聚态颗粒数量浓度增大。而核模态颗粒减少的原因可能是因为排气温度增加，使得大分子有机物冷凝作用减弱而挥发[12]，而更多地被吸附到积聚态炭烟颗粒上或者在燃烧后期在高温环境下被氧化。

图4示出了EGR与超细颗粒数量浓度粒径分布相关性影响分析的结果。从图中可以看出，超细颗粒排放数量浓度在一定粒径范围内跟EGR率有很强的相关性。其中积聚态颗粒数量浓度在大部分粒径范围都与EGR率有很强的正相关性，在中负荷强正相关性粒径范围向着较大粒径方向拓展，这主要是因为中负荷时，空燃比本身就较小，增大EGR率后，缸内高温富氧区域较多，更易形成较多的炭烟颗粒，聚积成更大的积聚态颗粒，同时氧气浓度更低，炭烟颗粒的氧化过程也将减弱，导致较大积聚态颗粒数量的变化更加明显。

2.3 超细颗粒排放总数量与总质量速率

图5和图6分别示出了EGR率对柴油机超细颗粒排放数量速率和质量速率的影响。

由图5可见，中负荷相对低负荷，超细颗粒排放数量速率明显增加。而相同负荷时，转速增大后，核模态颗粒和积聚态颗粒排放总数量速率都有所增加，总的超细颗粒排放数量速率也增大。

随EGR率的增大，积聚态颗粒排放总数量速率在各工况下都增加，且在中负荷时更加明显；核模态颗粒排放总数量速率基本不变，只有在2 200 r/min低负荷才明显减小；超细颗粒排放总数量速率在2 200 r/min低负荷时，受核模态颗粒总数量浓度明显减少和积聚态颗粒总数量浓度增加的相互作用呈先减少后增加趋势，其中ηEGR为14%，20%，26%和33%时分别为1.02×1011个/s，7.41×1010个/s，6.41×1010个/s和6.81×1010个/s，相对于EGR率为8%时的1.41×1011个/s，分别减少了27.8%，47.4%，54.5%和51.6%。可见在高速低负荷时，较大的EGR率对于控制超细颗粒排放是有意义的。而在其他工况排放明显增加，在中负荷时更加明显。

从图6可以看出，积聚态颗粒总质量占超细颗粒总质量的比例在1 800 r/min和2 200 r/min的中低负荷分别达99.1%，99.6%，97.9%和99.4%，因此超细颗粒排放总质量速率主要受积聚态颗粒排放总质量速率的影响。相同转速下，中负荷相对低负荷时，积聚态颗粒排放总质量速率急剧增加，其中1 800 r/min时，中负荷相对低负荷时增加了11.2倍，而在2 200 r/min时，则增加了3.9倍，因此超细颗粒排放总质量速率也急剧增加。随着EGR率增大，超细颗粒排放总质量速率在低负荷时基本不变或略有增加，而在中负荷时增加明显。

2.4 超细颗粒几何平均粒径

图7示出了不同EGR率对柴油机超细颗粒数量浓度几何平均粒径[13]的影响。由图7可见，相同转速下，中负荷时超细颗粒几何平均粒径相对低负荷明显增大。随着EGR率增加，超细颗粒的几何平均粒径呈增大趋势。这是因为积聚态颗粒数量所占总超细颗粒数量比例逐渐增大。

2.5 不同EGR率下喷油压力对超细颗粒数量浓度粒径分布的影响

图8示出了不同EGR率下喷油压力对超细颗粒数量浓度粒径分布的影响，喷油压力分别为原机压力和柴油机能达到的最高喷油压力。

从图8中可以看出，随着喷油压力的增大，核模态颗粒数量浓度呈现增加的趋势，且在低负荷较低EGR率时更加明显。这主要是因为低负荷时，缸内富氧，喷油压力增大后，柴油雾化效果增强，燃烧改善，富氧条件下炭烟颗粒生成减少，进而其对半挥发性物质的吸附减少，核态颗粒成核作用增强，核态颗粒数量浓度也增加。而积聚态颗粒数量浓度随着喷油压力的增大，在低负荷和中负荷的小EGR率工况时略有减少，而在高负荷或者高EGR率下却呈增加趋势，且在更高转速下愈加明显。这主要是因为空燃比较小时，喷油压力的改善导致柴油雾化成更小的颗粒，在富氧环境下生成较少的炭烟颗粒，而中负荷时在较大EGR率下，缸内缺氧，空燃比成为炭烟颗粒生成的主导因素，这时柴油雾化更好将导致更多炭烟颗粒的生成，且在高速时，燃烧反应时间变短，更易生成较多的炭烟颗粒。可见低负荷较低EGR率时和中负荷较大EGR率时[14]，过高的喷油压力都将使得超细颗粒排放数量速率增加。

3 结论

a) EGR率增大后，进气温度增加，空燃比减小，且相关性很强，排气温度也有所增加；

b) 各工况下，随EGR率的增大，核模态颗粒数量浓度有所减少，且在高转速低负荷下更加明显；积聚态颗粒数量浓度在各粒径下都有所增加，且中负荷时更明显，积聚态颗粒数量浓度峰值粒径基本没有改变；积聚态颗粒数量浓度在大部分粒径范围都与EGR率有很强的正相关性，在中负荷时，强正相关性的粒径范围向着较大粒径范围内拓展；

c) 随EGR率的增大，积聚态颗粒排放总数量和总质量速率在各工况下都呈增加趋势，且在中负荷时更明显，核模态颗粒排放总数量和总质量速率有减少趋势，总的超细颗粒排放数量速率在最大扭矩转速的低负荷时先减小后增加，其他工况下都呈增加趋势；积聚态颗粒排放总质量在各工况下占超细颗粒总质量的比例达99%，所以超细颗粒排放总的质量速率也都呈增加趋势；随EGR率的增大，几何平均粒径也都明显增大；

d) 在低负荷较低EGR率时和中负荷较大EGR率时，过高的喷油压力都将使超细颗粒排放数量速率增加。

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[编辑： 姜晓博]

Effects of EGR on Ultrafine Particulate Emission of Light-duty Diesel Engine

LOU Diming, XU Ning, TAN Piqiang, HU Zhiyuan

(School of Automotive Studies， Tongji University， Shanghai 201804, China)

The effects of EGR on ultrafine particulate emission were researched at medium and low loads on a light-duty diesel engine with EGR. The results show that the number concentration of nuclear mode particulate in each size decreases, the emission number and mass velocity of nuclear mode particulate have a decrease trend and becomes more obvious at low load of maximum torque with the increase of EGR rate. The number concentration of accumulation mode particulate in each size increases, the emission number and mass velocity of accumulation mode particulate also increase and become more obvious at medium load, but the corresponding size of number concentration peak keeps the same. In addition, the total ultrafine particulate emission number velocity decreases at low load of maximum torque speed and obviously increases under other conditions with the increase of EGR rate. Due to 99% proportion of total mass for accumulation mode particulate in that of ultrafine particulate, the emission mass velocity and geometric mean size of ultrafine particulate increase. At lower EGR rate at low load and larger EGR rate at medium load, the higher injection pressure will lead to the increase of number concentration of ultrafine particulate.

exhaust gas recirculation(EGR); injection pressure; particulate; diesel engine

2016-03-13；

2016-05-23

国家“863”高科技研究发展计划(2012AA111720)

楼狄明(1963—)，男，教授，博士生导师，博士，主要研究方向为柴油机的结构设计与性能优化研究；loudiming@tongji.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2016.04.004

TK421.5

B

1001-2222(2016)04-0021-06